石墨化退火熱處理-興達(dá)機(jī)床量具

石墨化退火的目的是使鑄鐵中滲碳體分解為石墨和鐵素體。這種熱處理工藝是可鍛鑄鐵件生產(chǎn)的必要環(huán)節(jié)。在灰鑄鐵生產(chǎn) 中，為降低鑄件硬度，便于切削加工，有時(shí)也采用這種工藝方法。在球墨鑄鐵生產(chǎn)中常用這種處理方法獲得高韌性鐵素體球墨鑄鐵。

一、石墨化退火的理論基礎(chǔ)

  根據(jù)相穩(wěn)定的自由能計(jì)算，鑄鐵中滲碳體是介穩(wěn)定相，石墨是穩(wěn)定相，滲碳體在低溫時(shí)的穩(wěn)定性低于高溫。因此從熱力學(xué)的角度看，滲碳體在任一溫度下都可以分解為石墨和鐵碳固溶體，而且在低溫下，滲碳體分解更容易。

 但是，石墨化過程能否進(jìn)行，還取決于石墨的形核及碳的擴(kuò)散能力等動(dòng)力學(xué)因素。對(duì)于固態(tài)相變，原子的擴(kuò)散對(duì)相變能否進(jìn)行起重要作用。由于溫度較高時(shí)，原子的擴(kuò)散比較容易，因此實(shí)際上滲碳體在高溫時(shí)分解比較容易。尤其是自由滲碳體和共晶滲碳體分解時(shí)，由于要求原子做遠(yuǎn)距離擴(kuò)散，只有在溫度較高時(shí)才有可能進(jìn)行。

1. 石墨的形核

對(duì)于可鍛鑄鐵，滲碳體的分解首先要求形成石墨核心。

在固相基體中，石墨形核既要克服新相形成所引起的界面能的增加，同時(shí)又要克服石墨形核時(shí)體積膨脹所受到的外界阻礙，因此其形核比在液態(tài)時(shí)要困難得多。由于在滲碳體與其周圍固溶體的界面上存在有大量的空位等晶體缺陷，石墨晶核首先在這里形成。

在滲碳體內(nèi)，盡管也可能存在有晶體缺陷，但是由于石墨形核會(huì)引起較大的體積膨脹，而滲碳體硬度高，體積容讓性差，必然會(huì)對(duì)此產(chǎn)生巨大的阻力，從而阻礙石墨核心在其內(nèi)部形成。

在實(shí)際生產(chǎn)中，鑄鐵內(nèi)往往存在有各種氧化物、硫化物等夾雜物。其中一些夾雜物與石墨有良好的晶格對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以作為石墨形核的基底，減小了由于石墨形核所造成的界面能的增加。因此在實(shí)際條件下，石墨形核要比理想狀態(tài)容易些。

對(duì)于灰鑄鐵和球墨鑄鐵，石墨化過程不需要石墨重新形核。

2. 高溫石墨化過程

高溫石墨化的主要目的是使自由滲碳體和共晶滲碳體分解。如果把含有滲碳體的鑄鐵加熱到奧氏體溫度區(qū)域，石墨的形核則發(fā)生在奧氏體與滲碳體的界面上。石墨形核后，隨著滲碳體的分解，借助于碳原子向石墨核心的擴(kuò)散不斷長(zhǎng)大，_終完成石墨化過程。

  需要指出的是，對(duì)于可鍛鑄鐵而言，其鑄態(tài)組織是按亞穩(wěn)定系凝固而成，其中奧氏體相對(duì)于穩(wěn)定系奧氏體呈碳過飽和狀態(tài)，石墨化后，奧氏體中碳濃度也要發(fā)生變化。石墨化完成后，鑄鐵的平衡組織為奧氏體加石墨。如果此時(shí)將鑄鐵緩慢冷卻，奧氏體將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是鐵素體和二次石墨，鑄鐵的_終平衡組織為鐵素體加石墨。

3. 低溫石墨化過程

低溫石墨化是指在 A1 溫度（ 720 ～ 750 ℃）以下保溫的石墨化過程。可分為兩種情況：一種是鑄鐵經(jīng)過高溫奧氏體化后再進(jìn)行低溫石墨化處理；另一種是鑄鐵不經(jīng)過高溫奧氏體化，而僅加熱到 A1 溫度以下進(jìn)行低溫石墨化。

前者的目的是使奧氏體在共析轉(zhuǎn)變時(shí)按穩(wěn)定系轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和石墨。后者不形成奧氏體，共析滲碳體直接分解為鐵素體加石墨。

如前所述，從熱力學(xué)條件看，在低溫下石墨化是可能的。此時(shí)關(guān)鍵的問題是碳原子的擴(kuò)散。在低溫下，碳原子本身的擴(kuò)散能力很低，加之鐵素體溶解碳的能力很小，碳原子的擴(kuò)散比較困難，主要通過晶粒邊界和晶體內(nèi)部缺陷進(jìn)行。因此，要提高低溫石墨化的速度，關(guān)鍵是減小碳原子的擴(kuò)散距離。細(xì)化鑄態(tài)組織，增加晶界，增加石墨核心是減小碳原子擴(kuò)散距離的有效措施。

二、石墨化退火工藝

 1. 鐵素體（黑心）可鍛鑄鐵的石墨化退火工藝

黑心可鍛鑄鐵的石墨化有五個(gè)階段：（ 1 ） 升溫；（ 2 ） _階段石墨化；（ 3 ） 中間階段冷卻；（ 4 ） _階段石墨化；（ 5 ） 出爐冷卻。

在 a 點(diǎn)前灰鑄鐵細(xì)桿已凝固完畢，粗桿處于共晶轉(zhuǎn)變期，粗桿石墨化所產(chǎn)生的膨脹受到細(xì)桿的阻礙，產(chǎn)生壓應(yīng)力，到達(dá) a 點(diǎn)時(shí)，粗桿的共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束，應(yīng)力達(dá)到_值。

從上述分析可以看出，灰鑄鐵在冷卻過程中有三次_卸載（即應(yīng)力等于零）狀態(tài)。如果在其_后一次_卸載（即 f 點(diǎn)）時(shí)，對(duì)鑄件保溫，消除兩桿的溫差，然后使其緩慢冷卻，_會(huì)使兩桿間的應(yīng)力降到_小。對(duì)灰鑄鐵冷卻過程中的應(yīng)力測(cè)定表明，灰鑄鐵_后一次_卸載溫度在 550 ～ 600 ℃。這與實(shí)際生產(chǎn)中灰鑄鐵的退火溫度相近。

  三、去應(yīng)力退火工藝

為了提高去應(yīng)力退火的實(shí)際效果，加熱溫度_能達(dá)到鑄件_后一次_卸載溫度。在低于_后一次_卸載溫度時(shí)，加熱溫度越高，應(yīng)力消除越充分。但是，加熱溫度過高，會(huì)引起鑄件組織發(fā)生變化，從而影響鑄件的性能。對(duì)于灰鑄鐵件，加熱溫度過高，會(huì)使共析滲碳體石墨化，使鑄件強(qiáng)度和硬度降低。對(duì)于白口鑄鐵件，加熱溫度過高，也會(huì)使共析滲碳體分解，使鑄件的硬度和耐磨性大幅度降低。

普通灰鑄鐵去應(yīng)力退火的加熱溫度為 550 ℃。  當(dāng)鑄鐵中含有穩(wěn)定基體組織的合金元素時(shí)，可適當(dāng)提高去應(yīng)力退火溫度。低合金灰口鑄鐵為 600 ℃，高合金灰口鑄鐵可提高到 650 ℃。加熱速度一般為 60 ～ 100 ℃ /h. 保溫時(shí)間可按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： H ＝鑄件厚度 /25 ＋ H" ，式中鑄件厚度的單位是毫米，保溫時(shí)間的單位是小時(shí)， H" 在 2 ～ 8 范圍里選擇。形狀復(fù)雜和要求充分消除應(yīng)力的鑄件應(yīng)取較大的 H" 值。隨爐冷卻速度應(yīng)控制在 30 ℃ /h 以下，一般鑄件冷至 150 ～ 200 ℃出爐，形狀復(fù)雜的鑄件冷至 100 ℃出爐。